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运算机操纵技术

《运算机操纵技术》辅导教案

一教学目的和大体要求

工业操纵是运算机的一个重要应用领域，运算机操纵是为适应这一领域的需要而进展起来的一门专业技术。

本课程的目的是简明、系统地向学生介绍关于工业运算机操纵系统的设计和实现的大体原理与技术，以提高本专业学生应用运算机的能力，为尔后从事运算机操纵系统的研究和开发工作打下一个良好的基础。

大体要求：

1把握工业运算机操纵系统的大体组成原理及特点，了解运算机操纵系统的进展概况及趋势；

2熟悉运算机操纵系统的性能指标；

3数字程序操纵：

熟练把握逐点比较法插补原理和步进电机的操纵技术；

4熟练把握数字PID操纵器的设计及其参数的整定；

5熟练把握最少拍无纹波操纵器的设计；

6现代操纵技术：

把握采纳状态空间的输出反馈设计法和极点配置设计法；

7把握经常使用的几种复杂操纵的原理：

纯滞后操纵，串级操纵，前馈-反馈操纵和解耦操纵；

8把握模糊操纵的大体概念和模糊操纵器的设计方式；

9了解分散型测控网络的简单技术；

10熟练把握运算机操纵系统中测量数据的预处置技术；

11把握运算机系统中的抗干扰技术。

二内容提要

本课程从工程技术的观点介绍工业运算机操纵系统的组成原理和系统的设计与实现技术。

以IBM-PC系列微型机为例组成系统。

要紧内容如下：

1绪论

要紧介绍运算机操纵系统的组成原理，特点，指标要求，进展概况和趋势。

2数字程序操纵

重点介绍逐点比较插补法原理和步进电机的操纵技术。

3常规操纵技术

1）数字操纵器的持续化设计：

重点介绍目前应用普遍的数字PID操纵器的工程实现和参数的整定：

2）离散化设计技术

重点介绍最少拍无纹波操纵器的设计。

4模糊操纵技术

1）模糊操纵技术的数学基础：

要紧包括模糊集合及其运算，模糊关系，模糊逻辑和模糊推理。

2）模糊操纵原理：

要紧包括模糊化，知识库，模糊推理和清楚化。

3）模糊操纵器的设计：

包括模糊操纵器的结构设计，模糊规那么的选择和推理，模糊操纵器论域及比例因字的确信，模糊操纵器程序的编写。

5现代操纵技术

要紧介绍采纳状态空间的输出反馈设计法，极点配置设计法和最优化设计法。

6复杂操纵技术

简单介绍纯滞后补偿操纵，串级操纵，前馈-反馈操纵和解耦操纵。

7应用程序设计与实现

包括程序设计技术，测量数据的预处置技术，数字操纵器的工程实现和软件抗干扰技术。

8分散型测控网络技术

简单介绍工业网技术，分散型操纵系统和现场总线技术。

9运算机操纵系统设计与实现

以实例说明运算机操纵系统的设计与实现全进程。

三教案的要紧内容

第1章绪论（4学时）

1.概述

随着科学技术的进步,人们愈来愈多地用运算机来实现操纵。

最近几年来，运算机技术、自动操纵技术、检测与传感器技术、CRT显示技术、通信与网络技术和微电子技术的高速进展，给运算机操纵技术带来了庞大的进展，使自动操纵技术正向着深度和广度两个方向进展。

在广度方面，国民经济的各个领域----从工业进程操纵、农业生产和国防技术抵家用电器已普遍利用运算机操纵；操纵对象也从单一对象的局部操纵进展到对整个工厂、整个企业等大规模复杂对象的操纵。

在深度方面那么向智能化进展，显现了自适应、自学习等智能操纵方式。

本章要紧介绍运算机操纵系统及其组成、工业操纵运算机的组成结构及特点、运算机操纵系统的进展概况和趋势。

2重点与难点

操纵系统的几个重要概念

1.自动操纵一样是指应用操纵器自动地、有目的地操纵或操纵操纵对象，使之能够达到所要求的性能。

操纵对象是被操纵的机械、物体及其所处的外部环境等。

操纵器是为达到系统要求的性能所利用的操纵装置，它可采纳电气、机械或液压等技术来完成操纵操作。

2.操纵系统由操纵器和操纵对象两大部份组成，操纵器是操纵系统中

最重要的部份，它从质和量的方面决定了操纵系统的性能和应用范围。

一个操纵系统一样应知足以下两个大体要求：

（1）跟从输入

对一个操纵系统通常都要求其输出量随输入量的转变而转变，输入量可能是常数或随时刻转变的轨迹，关于前者通常把输入称为给定值或期望值，而后者常称为参考输入或期望输入。

（2）系统输出尽可能不受干扰的阻碍

3．开环和闭环操纵系统

假设系统的输出量对系统的操纵作用没有阻碍，那么称该系统为开环操纵系统。

在开环操纵系统中，既不需要对系统的输出量进行测量，也不需要将它反馈到输入端与输入量进行比较。

凡是系统的输出信号对操纵作用能有直接阻碍的系统都叫

作闭环操纵系统，即闭环系统是一个反馈系统。

闭环操纵系统中系

统的稳固性是一个重要问题。

2．2运算机操纵系统

1．采纳运算机进行操纵的系统称为运算机操纵系统，也称它为数字操纵系统。

假设不考虑量化问题，运算机操纵系统即为采样系统。

进一步，假设将持续的操纵对象和维持器一路离散化，那么采样操纵系统即为离散操纵系统。

因此采样和离散系统理论是研究运算机操纵系统的理论基础

2．运算机操纵系统的操纵进程能够归结为一下三步：

（1）实时数据搜集：

对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。

（2）实时操纵决策：

对搜集到的被控量进行数据分析和处置，并按已定的操纵规律决定进一步的的操纵进程。

（3）实时操纵：

依照操纵决策，适时地对执行机构发出操纵信号，完成操纵任务。

3．“实时“的含义是指信号的输入、计算和输出都要在必然的时刻范围内完成，和运算机对输入信息以足够快的速度进行操纵，超出了那个时刻就失去了操纵的机会，操纵也就失去了意义。

实时的概念不能离开具体进程，一个在线系统不必然是一个实时系统，可是一个实时操纵系统必然是一个在线系统。

2．3运算机操纵系统的典型形式

运算机操纵系统所采纳的形式与它所操纵的生产进程的复杂程度紧密相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的操纵方案。

运算机操纵系统大致可分为以下几种典型的形式。

它们是：

操作指导操纵系统；直接数字操纵系统（DDC），DDC系统属于运算机闭环操纵系统，是运算机工业生产进程中最普遍的一种应用方式；监督操纵系统；分散操纵系统和现场总线操纵系统。

2．3运算机操纵系统的性能及其指标

运算机操纵系统的性能跟持续系统类似，能够用稳固性、能控性、能观性、稳态特性、动态特性来表征，相应地用稳态裕量、稳态指标、动态指标和综合指标来衡量一个系统的好坏和好坏。

第2章数字程序操纵技术（5学时）

2．1概述

数字程序操纵要紧用于机床的操纵，如用于铣床、车床、加工中心、线切割机和焊接机、气割机等自动操纵系统中。

采纳数字程序操纵的机床叫做数控机床，数控机床具有能加工形状复杂的另件、加工精度高、生产效率高、便于改变加工零件品种等许多特点，它是实现机床自动化的一个重要进展方向。

本章介绍数字程序操纵基础、逐点比较法插补原理和步进电机操纵技术。

2．2重点与难点

2．2．1逐点比较法插补原理

逐点比较法插补确实是刀具或画笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，从而决定下一步的进给方向。

若是原先在给定轨迹的下方，下一步就向给定轨迹的上方走，若是原先在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面走，…。

如此走一步看一看，比较一次，决定下一步的走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点逼近插补

2．2．2步进电机操纵技术

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模转换器。

在开环数字操纵系统中，输出操纵部份常采纳步进电机作为驱动元件。

步进电机操纵线路同意运算机发来的指令脉冲，操纵步进电机做相应的转动，步进电机驱动数控系统的工作台或刀具。

指令脉冲的总数决定了数控系统的工作台或刀具的总移动量，指令脉冲的频率就决定了移动的速度。

因此指令脉冲可否被靠得住地执行，大体上取决与步进电机的性能。

第3章常规及复杂操纵技术（12学时）

概述

运算机操纵系统的设计,是指在给定系统性能指标的条件下,设计出操纵器的操纵规律和相应的数字操纵算法。

本章要紧介绍运算机操纵系统的常规和复杂操纵技术。

常规操纵技术介绍数字操纵器的持续化设计技术和离散化设计技术；复杂操纵技术介绍纯滞后操纵、串级操纵等技术。

对大多数统，采纳常规操纵技术都可达到中意的操纵成效，但关于复杂及有特殊操纵要求的系统，采纳常规操纵难以达到目的，在这种情形下，那么需要采纳复杂操纵技术，乃至采纳现代操纵和智能操纵技术。

重点与难点

3．2．1数字PID操纵器的设计

1．操纵算法

PID操纵是一种应用最普遍的操纵规律，它是依照误差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行操纵的。

实际运行的体会和理论的分析都说明，运用这种操纵规律对许多工业进程进行操纵时，都能取得中意的成效。

图示出了PID操纵的示用意。

其中D（Z）为PID操纵器的Z传递函数，H（S）为维持器，G（S）为操纵对象的传递函数。

（1）数字（PID）的位置型算法

u（k）=KP（e（k）+T/TI

e（i）+TD/T（e（k）-e（k-1）））

其中u（k）为操纵器的输出，e（k）为误差，KP为比例增益，TI为积分时刻常数，TD为微分时刻常数。

由于上述算法提供了执行机构的位置u（k）（如阀门的开度），因此被称为数字PID的位置型操纵算法。

（2）数字PID增量操纵算法

为了排除位置型算法中的累加误差e（i），减少存储单元，便于程序的编写，咱们引入PID的增量型算法。

值得注意的是增量型算法仅仅是计算方式上的改良，并无改变位置型算法的本质。

在实现增量操纵时必需采纳具有维持历史位置功能的执行机构，如步进电机等。

增量算法为

=u（k）-u（k-1）

=KP（e（k）-e（k-1））+KIe（k）+KD（e（k）-2e（k-1）+e（k-2））

其中KP为比例增益，KI=KPT/TI称为积分系数，KD=KPTD/T称为微分系数。

2．数字PID操纵器的参数整定

数字PID操纵系统必需通过参数整定才能正常运行。

需要整定的参数为采样周期T、KP、KI和TD。

由于运算机技术的进展，一样可选较小的采样周期T，它相关于被空对象的时刻常数来讲就更短了，因此数字PID参数的整定进程是先按模拟PID操纵参数整定的方式来选择，然后再调整，并考虑采样周期对整定参数的阻碍。

经常使用的方式有：

扩充临界比例度法、归一参数整定法、优选法等。

3．2．2数字操纵器的离散化设计技术

当把图中的操纵对象和维持器一路离散化后它就变成了一个纯离散系统，这时能够直接依照运算机操纵理论来设计操纵器D（Z），通常咱们把这种方式称为离散化设计方式。

设计D（Z）的大体公式为

D（Z）=1/G（Z）*

（3。

1）

其中G（Z）为广义对象，

为运算机操纵系统的闭环传递函数。

有限拍操纵器的设计步骤：

1．依照操纵系统的性能指标要求和约束条件确信所需的

；

2．求广义对象的脉冲传递函数G（Z）；

3．依照式（）算出D（Z）；

4．由D（Z）求出操纵算法的递推公式，进而导出运算机操纵算法。

第4章模糊操纵技术（8学时）

4．1概述

数字操纵器的持续化设计法、离散化设计法和状态空间设计法都要求有精准的被空对象的模型。

但在工业生产和其他领域中，由于被控对象多数具有非线性、时变性和不确性等特点，往往难于用一个简单而精准的数学模型来描述，因此给操纵系统的设计带来了极大的困难。

模糊操纵在必然程度上仿照了人的操纵，它不需要有准确的操纵对象模型。

因此它是一种智能操纵方式，这种操纵方式既可用于简单的操纵对象也可用于复杂的对象。

模糊操纵系统不仅在工业操纵中取得了普遍的应用，而且也已扩展到其他领域，如地铁的自动化、照相机头的自动聚焦、彩色电视的自动调剂、冰箱的除霜、空调、洗衣机、洗尘器、交通信号灯和电梯的操纵等。

4．2重点与难点

4．2．1模糊集合及其运算

4．2．2模糊关系

4．2．3模糊操纵原理

4．2．4模糊操纵起的设计

1．模糊操纵器的结构设计

2．模糊规那么的选择和模糊推理

3．清楚化

4．模糊操纵器论域及比例因子的确信

5．编写模糊操纵器的算法程序

6．双输入单输出模糊操纵器的设计

第5章现代操纵技术（8学时）

概述

上一章学过的模拟化和离散化设计方式,都是利用传递函数模型,依照对操纵系统的性能指标要求设计出知足要求的运算机操纵系统。

他们适用于简单的线性定常系统。

由于运算机的引入,目前在工业进程操纵中PID仍用的比较普遍。

模糊操纵是一种智能操纵方式，它不需要有准确的被控对象的模型，这种方式适用于操纵无法或难以成立精准模型的物理对象，目前愈来愈取得了普遍的应用。

但模糊操纵超级依托人的知识和体会，因此这就不能保证模糊操纵器在任何情形下都能工作得好。

这一章咱们介绍离散状态空间设计法。

这种方式利用对象的状态空间模型

，依照给定的系统的性能指标，设计出知足要求的运算机操纵系统。

这种方式的优势是能够处置多输入多输出、时变和非线性系统；便于运算机辅助设计和实现，但难于沿用古典操纵理论中现成的设计方式。

由于这种方式必需基于操纵对象的精准模型，再加上许多算法比较复杂，因此目前在工业操纵中应用得还不普遍，从操纵策略上讲仍然是PID操纵占主导地位。

但离散空间设计法正在慢慢受到人们的重视和普及应用。

5．2重点与难点

5．2．1离散系统的能控性和能观性

1．一样概念：

能控性和能观性是在状态空间模型基础上提出来的新概念。

设线性定常系

统的离散状态方程为

x（k+1）=Fx（k）+Gu（K）

y（k）=Cu（k）+Du（K）

系统的能控性讨论输入量u（k）和状态量之间的关系，是指系统的状态可否受输入量的操纵，假设系统的状态在输入量的操纵下能够从任意一个状态运动到另外一个任意状态，那么称系统是能控的，不然系统是不能控的。

能观性那么讨论状态量x（k）和输出量y（k）之间的关系，是指在系统的输出量中是不是包括有每一个状态变量的信息，即可否依照输出量（一样是能够量测的）来确信或重够出所有的状态变量。

假设上面的结论是确信的，那么系统时能管的，不然系统是不能观的。

关于比较简单的系统可用直接观看的方式来判定系统的能控性和能观性，但关于比较复杂的系统必需采纳下面系统的方式来判定。

2．能控性和能观性的判定

系统能控的充要条件为rank[GFGF2G…F

G]=n（n为系统的阶数）

系统能观的充要条件为

rank

=n

5．2．2极点配置设计法

闭环系统的极点散布与系统的操纵性能之间有着紧密的联系。

极点配置设计法是通过适当的状态反馈把系统的极点配置到所希望的位置，以知足系统性能的要求。

极点配置法的设计步骤是先设计一个相当于r=0的操纵系统，再在此基础上引入参考输入，最终完成跟踪系统的设计。

按极点配置设计的操纵系统其操纵器由状态观测器和操纵规律两部份组成。

观测器的作用是依照输出量y（k）和操纵量u（k）重构出系统的状态

（k）；操纵规律的作用是根椐重构状态

（k）计算出所需要的操纵量。

依照分离性原理操纵器的设计可分成两个独立部份，一是按极点配置设计操纵规律，这时假定全数状态都可用于反馈，二是按极点配置设计状态观测器，最后把二着结合起来组成一个完整的状态反馈系统。

按极点配置设计操纵器的步骤：

（1）按闭环系统的性能要求给定操纵极点；

（2）按极点配置设计操纵规律L

可用阿克蔓公式来计算操纵规律

L=[00…01][GFG…Fn-1G]-1β（F）

其中

Z是依照给定的系统性能指标所求得的期望极点。

（3）合理地给定观测器极点，并选择观测器的类型，计算增益矩阵K

-1

K=α（F）

[00…01]T

其中

观测奇极点的选择：

一样情形下可把全数观测器的极点设置在圆点，假设测量信号包括较大的噪声，那么按观测极点所对应的衰减速度比操纵极点对应的衰减速度快约4或5倍的要求设置。

第6章应用程序设计与实现技术（8学时）

重点与难点

6．1测量数据的预处置技术

在运算机操纵系统中，常常需要对生产进程的各类信号进行测量。

测量时一样先用传感器把生产进程的非电信号转换成电信号，然后利用A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，读入运算机。

关于如此取得的数据一样要进行一些预处置，其中最大体的是线性化处置、标度变换和系统误差的校准。

6．1．1系统误差的自动校准

自动校准的大体思想是在系统开机或每隔一段时刻自动测量基准参数（如数字电压表中的基准参数为基准电压和零电压），然后计算误差模型，取得并存储误差补偿因子。

在正式测量时，依照测量结果和误差补偿因子计算校准方程，从而排除误差。

6．1．2线性化处置和非线性补偿

6．2数字操纵器的工程实现

数字操纵器算法的工程实现可分为6个部份：

1．给定值

2．被控量处置

3．误差处置

4．操纵算法的实现

5．操纵量处置

6．自动手动切换

6．3软件抗干扰技术

为了提高工业操纵系统的靠得住性，仅靠硬件抗干扰方法是不够的，需要进一步借助于软件方法来克服某些干扰。

常常采纳的技术是数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术和软件陷阱技术等。

第7章分散型测控网洛技术（8学时）

7．1概述

数据通信是工业测控网络和分散型测控系统得关键技术。

在一个较大的工业测控系统中，常常会有几十个、几百个甚至更多的测量和被空对象，即使速度的系统也难以满足要求，因此必须将任务分给多个计算机系统并行工作，不同地理位置何不同功能的计算计之间需要交换信息，如果把它们按统一的协议连接起来就构成了计算机分散测控网络系统。

本章介绍数据通信技术、工业网络技术、分散型控制系统、为总线通信网络技术和现场总线技术。

7．2重点与难点

7．2．1数据通信技术

7．2．2工业网络技术

7．2．3分散型操纵系统

分散型操纵系统综合了运算机技术、操纵技术、通信技术、CRT显示技术即4C技术，集中了持续操纵、批量操纵、逻辑顺序操纵、数据搜集等功能。

先进的分散操纵系统将以运算机集成制造系统为目标，以新的操纵方式、现场总线智能仪表、专家系统、局域网络等新技术，为用户实现进程自动化与信息治理自动化相结合的管控一体化的综合集成系统。

分散操纵系统采纳分散操纵、集中操作、综合治理和分而自治地设计原那么。

系统平安靠得住、通用灵活、最优操纵性能和综合治理能力，为工业进程的运算机操纵开辟了新方式。

7．2．4现场总线（Fieldbus）技术

现场总线是连接工业工程现场仪表和操纵系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络，与操纵系统和现场仪表联用组成现场总线操纵系统。

现场总线不单单是一种通信技术，也不单单是用数字仪表代替模拟仪表，它是用新一代的现场FCS代替传统的分散型操纵系统DCS，实现现场总线通信网络与操纵系统的集成。

第8章运算机操纵系统设计与实现（6学时）

8．1概述

通过前面的介绍，咱们已经把握了运算机操纵系统各部份的工作原理、硬件和软件和操纵算法，因此具有了设计运算机操纵系统的条件。

运算机操纵系统的设计，既是一个理论问题又是一个工程问题。

运算机操纵系统的理论设计包括：

成立被空对象得数模型；确信知足必然经济指标的系统目标函数，寻求知足该目标函数的操纵规律；选择适宜的计算方式和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。

运算机操纵系统的工程设计，不仅要求把握生产进程的工艺要求，和被空对象的动态和静态特性，而且要知晓自动检测技术、运算机技术、通信技术、自动操纵技术和微电子技术等。

本章要紧介绍运算机操纵系统设计的原那么和步骤、运算机操纵系统的工程设计与实现和运算机操纵系统的设计举例。

8．2重点与难点

8．2．1系统的设计原那么

1．平安靠得住

工业操纵运算机不同于一样用于科学计算或治理的运算机，它的工作

环境比较恶劣，周围的各类干扰随时地要挟着它的正常运行，而且它所担当的操纵重任又不许诺它发生异样现象。

因此在设计进程中要把平安靠得住放在首位。

2．作保护方便

操作方便体此刻操作简单、直观形象、便于把握，并非要求操作工要把握运算机知识才能操作。

既要表现操作的先进性，又要兼顾原有得操作适应。

维修方便体此刻易于查找故障，易于排除故障。

采纳标准的功能没，模板式结构，便于改换故障模板。

并在功能模板上安装状态指示灯和监测点，便于维修人员检查。

另外配制诊断程序用来查找故障。

3．时性强

工业操纵机的实时性表此刻对内部和外部事件能及时的响应，并做出响应的处置，不丢失信息，不延误操作。

运算机处置的事件一样分为两类，一类是按时事件，如数椐的按时搜集、运算操纵等；另一类是随机事件，如事故、报警等。

关于按时事件，系统设置时钟保证按时处置。

关于随机事件系统设置中断，并依照故障的轻重缓急，预先分派中断级别，一旦事故发生保证优先处置紧急故障。

4．通用性好

工业操纵运算机的通用灵活性体此刻两个方面，一是硬件模板设计采纳标准总线结构，配置各类通用的功能模板，以便在扩充功能时只需增加功能摸板就能够实现；二是软件模块或操纵算法采纳标准模块结构，用户利历时不需要二次开发，只需按要求选择各功能模块，灵活地进行操纵系统组态。

5．济效益高

运算机操纵应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价钱比，要有市场竞争意识。

经济效益表现两个方面，一是系统设计的性能价钱比要尽可能高；二是投入产出比要尽可能的低。

8．2．2系统的设计步骤

8．2．3系统的工程设计与实现

一样按如下步骤进行：

1．系统整体方案设计

2．硬件的工程设计与实现

3．软件的工程设计与实现

4．系统的调试与运行

8．2．4运算机操纵系统设计举例